智能楼宇雷电防护及综合防雷的研究

智能楼宇雷电防护及综合防雷的研究

韩永龙王峰

西部矿业股份有限公司锌业分公司青海省西宁811600

摘要：随着人们生活水平的不断提高，通讯与信息技术的发展，人们对楼宇设计的要求标准也不断向智能化过渡。普通楼宇防雷系统不但不能保护高层楼宇的电子设备和智能系统，反而可能引入雷电，加倍雷击损失。因此智能楼宇对防雷系统要求越来越高，本文对智能楼宇中直击雷和感应雷进行了探索及雷电的电磁兼容性问题进行了讨论分析，提出了楼宇内可靠的电子设备的综合防雷保护措施。

关键词：智能楼宇；电气设计；综合防雷

随着信息技术的迅速发展，智能建筑物的建设向自动化、信息化和节能化方向发展，微电子应用技术为代表的新技术已渗透到智能建筑的各个应用领域，并且不断增大。建筑物内微电子设备繁多而且复杂，这些微电子设备通常属于耐过电压等级低，防干扰要求高的弱电设备，最怕受到雷击。遭受雷击时，一部分能量（约50%）通过建筑物外部防雷装置泄入大地，另一部分能量则通过雷电流感应或耦合在金属管线上进入建筑物内破坏设备，因此，智能建筑的防雷保护成为一个越来越重要的课题摆在我们面前。

一、智能楼宇加强雷电防护的重要性

1.1雷电危害

雷电灾害是十种最严重的自然灾害之一。全球每天约发生800万次雷电，每年因雷击造成的人员伤亡、财产损失不计其数。导致火灾、爆炸、信息系统瘫痪等事故频繁发生。而卫星、通信、导航、计算机网络系统、通信指挥系统和有室外天馈设备的系统更是雷电的重灾区。从某种意义上说，科技越发达，雷击对人类的危害就越大。

我国是雷暴活动十分频繁的国家。全国有21个省会城市雷暴日都在50天以上，最多可达134天。据不完全统计，我国每年因雷击造成人员伤亡达3000～4000人，财产损失50～100亿元人民币。近年来，随着社会经济发展和现代化水平的提高，特别是信息技术的快速发展，城市建设高层建筑物日益增多，雷电灾害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大。

1.2雷击的分类

探讨智能建筑物的雷电保护，必须对雷电进行了解，分析雷电是通过哪些方式、途径、渠道危害智能建筑物的。

1.2.1直击雷危害

直击雷造成的电效应、热效应和机械效应的破坏作用很大：

直击雷可直接作用在建筑物上，也可通过架空线路、露天的金属管路等途径侵入。另外，避雷装置接闪雷击时，在接闪器、引下线及接地体上都有可能产生很高的电压，可能对设备产生“反击”。

1.2.2雷电感应及雷电电磁脉冲的危害

雷电感应及雷电电磁脉冲的危害是指雷电产生的静电感应和电磁感应对设备尤其是电子设备的危害：

二、智能楼宇的综合防雷措施

智能楼宇的综合防雷是指在常规防雷的基础上，针对建筑物、特殊用房和重要设备采取的各种相应的防雷保护措施，以确保建筑物及建筑物内所有保护对象的防雷安全。包括针对建筑物的直击雷防护（外部防护），以及针对建筑物内设备、人员的雷电波侵入防护和雷击电磁脉冲防护（简称为“弱电防护”〈内部防护〉）两大部分。

2.1外部防护

外部防护也称直击雷防护，属于传统防雷的范畴，依据建筑物的高度、结构等采取直击雷防护措施，防雷系统包括接闪装置（避雷针、带、网）、引下线和接地装置三大部分。在智能楼宇中，可以采取以下措施加强直击雷的防护：

2.1.1选用新型避雷针和接闪器

在楼顶设计由避雷带，避雷针或混合组成的接闪器或选用新型避雷针和接闪器，传统避雷针在引雷后引发地电位反击和二次雷击效应。为了减少雷电流陡度和电磁辐射场，应选用阻抗型的避雷针和接闪器，或者采用提前放电式避雷针（如法国依丽达消雷器），提前放电式避雷针的主要原理是将一个高脉冲电压系列加在普通避雷针尖端，来引发自发电晕效果，形成上行先导，从而吸引雷电流更准确地通过避雷针形成的泄漏通道泄放雷电流。

2.1.2提高建筑物的自然屏蔽能力

充分利用建筑物的钢筋混凝土结构组成的经济可靠的笼式避雷网增加引下线数量，加速雷电流的分流，减少磁场集中程度。加强所有外露的金属门窗与结构的连接，提高建筑物的自然屏蔽能力。

采用这些措施，可以有效的防止直击雷和削弱电压波的强度，减小雷击的破坏程度。但这些措施并不能完全消除电网中由雷电而引起的暂态过电压，感应雷电脉冲一般都在千伏以上降低。

2.2内部防护

内部防护即上面所指的弱电防护，包括雷电波侵入防护和雷击电磁脉冲防护。它主要是针对智能楼宇的电子信息设备而设计。对于电子信息设备而言，雷电电磁脉冲能量的耦合主要通过以下三个通道侵入：一是雷电电磁脉冲能量通过各种多发管线通道（多发管道、多发构件、各种线缆等）的传导耦合；二是通过地线通道的传导耦合（地电位反击）；三是雷电电磁脉冲能量通过空间通道的辐射耦合。由于雷电的侵袭是无孔不入的，因此信息防雷是综合性的系统工程，所采取的技术措施也是多方面的。任何单一的防护措施，其效果都是有限的。

2.2.1智能楼宇综合防雷的主要技术措施

2.2.1.1拦截

信息防雷的第一道防线是拦截直击雷。最经济、最有效的方法仍然是避雷针（避雷带、避雷网）法。尽管避雷针对于电子信息设备有很多负作用，对其应抱趋利避害、积极、稳妥的态度，采取有效的技术措施予以抑制。

2.2.1.2屏蔽

屏蔽是防止任何形式电磁干扰的基本手段之一。屏蔽的目的，一是限制某一区域内部的电磁能量向外传播，二是防止或降低外界电磁辐射能量向被保护的空间传播。

2.2.1.3均压（均衡）

均压也称电位均衡连接（简称等电位连接）。就是把所有导体相互作良好的导电性连接，并与接地系统连通。其中非带电导体直接用导线连接，带电导体通过避雷器连接。其本质是由可靠的接地系统、等电位连接用的金属导线、等电位连接器（即避雷器、地线隔离器）和所有导体组成一个电位补偿系统。

2.2.1.4分流

是将雷电流能量向大地泄放过程中应符合层次性原则。层次性就是按照所划分的防雷保护区对雷电能量分级泻放。尽可能多、尽可能迅速将多余能量在引入信息系统之前泄放入地。

2.2.1.5接地

接地是分流和泻放直击雷和雷电电磁干扰能量的最有效的手段之一，也是电位均衡补偿系统的基础。目的是使雷电流通过低阻抗接地系统向大地泄放，从而保护建筑物、人员和设备的安全。没有良好的接地系统或者接地不良的避雷设施会成为引雷入室的祸患；避雷装置接地不好，还提供了雷电电磁脉冲对电气和电子设备产生电感性、电容性耦合干扰的机会。

2.3电子信息系统雷电防护工程

近十几年来，随着社会需求的拉动和理论探索的深入，信息防雷技术有了较大的发展。信息防雷是在闪电通道和避雷针泄流通道及其周围整个三维空间内对雷电的全面防护，这是一个全新的思维。即不但要防直击雷，更重要的是防感应雷（雷电电磁脉冲）；不但要进行“路”的防护，更重要的是对“场”的防护。全面的信息防雷原则和行之有效的工程技术方法应为“整体设计、综合治理、系统实施”原则和“有效拦截、良好屏蔽、均衡连接、合理接地、堵截通道、全面防御”的工程技术方法。

以上是信息防雷工程的基本环节和主要工程措施，它们之间也是既相互独立又相互联系的。面对无孔不入的雷电电磁脉冲，所有有源或无源通道都是其入侵的途径。把加装几个避雷器就理解为信息防雷是很不全面的，把埋设或改善地线就理解为信息防雷更是错误的。信息防雷工程是现代防雷多项技术措施综合运用的系统工程。任何单方面的措施，其防雷效果都将大打折扣，其投资的效费比也将大大降低。

因此，信息系统防雷工程必须从全面考虑，做到层层防护，不留一丝隐患。

三、防雷设计基本原则

3.1智能建筑物的防雷必须按综合防雷系统的要求进行设计，坚持预防为主，安全第一的指导方针，为确保防雷设计的科学性，在设计前应对现场雷电环境进行评估。

3.2智能建筑物的防雷宜考虑环境因素、雷电活动规律、建筑物内设备的重要性，发生雷灾后果的严重程度，分别采用相应的防护措施。

3.3智能建筑物的防雷应坚持全面规划、综合治理、优化设计、技术先进、经济合理、进行综合设计。

3.4智能建筑物均应按GB5007—94（2000版）“建筑物防雷设计规范”的规定，安装外部防雷装置。

3.5智能建筑物内的微电子设备的防雷应采用直击雷防护、等电位连接、屏蔽、合理布线、共用接地系统和安装电涌保护装置等措施进行综合防护。

3.6智能建筑物内的微电子设备应根据所在地区雷暴等级，设备放置在不同的雷电防护区，以及系统对雷电电磁脉冲的抗扰度，采用不同的防护措施。

总结：

总结起来，防雷技术必须强调科学性、经济实用和耐久可靠这三个原则。

防雷工程成为一项多学科，跨部门的复杂系统工程，我们必须紧密结合信息工程技术和电磁兼容技术，采取综合治理、系统防护。设计当中必须严格遵循有关的规范和标准，对智能建筑物内的各种设备应该单独考虑，综合设计，使防雷设计作到科学性、实用性和经济性相结合。

参考文献：

[1]智能楼宇管理师中国劳动社会保障出版社，2007。

[2]戴瑜兴，黄铁兵.民用建筑电气设计手册[M]，中国建筑工业出版社，2003。

[3]综合布线原理.设计与施工，1999。

[4]中华人民共和国国标。建筑物防雷设计规范，北京：中国标准出版局，2000。

[5]虞昊.现代防雷技术基础，清华大学出版社出版，1996.5。